Предлагаемое изобретение относится к геоэлектроразведке на переменном токе, возбуждаемом в земле индуктивным способом, и может быть использовано при поисках и разведке проводящих объектов в непроводящей и проводящей среде, например в морской воде. Область преимущественного применения: поиски рудных месторождений, залегающих на глубинах до 500 м и более.
Известен способ геоэлектроразведки [1], в котором низкочастотное электромагнитное поле возбуждают током, протекающим в вертикальном кабеле, заземленным обоими концами в скважине, и измеряют декартовые составляющие магнитной индукции на заданных высотах по параллельным профилям, что позволяет осуществить разбраковку аномалий магнитного поля, вызванных приповерхностными и глубинными проводящими объектами.
Известный способ имеет существенные недостатки: 1) наличие вертикальной и субвертикальной необсаженной скважины; 2) необходимость посадки летательного аппарата вблизи питающего кабеля для компенсации начальных фазовых сдвигов в измерительном аппаратурном комплексе; 3) необходимость передачи опорного сигнала по радиоканалу; 4) при измерении реальной и мнимой компонент требуется высокая стабильность тока в незаземленной петле; 5) нестабильность фазовых сдвигов в измерительном аппаратурном комплексе приводит к возникновению так называемых профильных аномалий.
Известен также способ геоэлектроразведки [2], в котором электромагнитное поле создают при помощи вертикального кабеля, заземленного обоими концами в скважине, и измеряют декартовые составляющие магнитной индукции по параллельным профилям на заданных высотах. Основное достоинство известного способа заключается в том, что путем размещения глубинного электрода над и под глубинным аномальным объектом, по результатам измерений более четко отмечается аномальный объект, залегающий на глубине до 2.8 км.
Однако способу [2], как и способу [1], также присущи существенные недостатки: 1) наличие вертикальной или малонаклонной необсаженной скважины; 2) необходимость посадки летательного аппарата вблизи вертикального кабеля (питающей линии АВ) для компенсации начальных фазовых сдвигов в измерительной аппаратуре; 3) необходимость передачи по радиоканалу опорного сигнала от наземной установки на борт вертолета; 4) при измерении реальной и мнимой компонент, требуется высокая стабильность возбуждающего тока; 5) нестабильность фазовых сдвигов в измерительном аппаратурном комплексе приводит к возникновению профильных аномалий.
Наиболее близким техническим решением является способ геоэлектроразведки [3], взятый нами в качестве способа-прототипа. В способе-прототипе, заключающемся в возбуждении низкочастотного электромагнитного поля током, протекающим в незаземленной петле на дневной поверхности Земли, и измерении фазовых сдвигов декартовых составляющих магнитной индукции на заданной высоте по параллельным профилям относительно вертикальной составляющей магнитной индукции по профилю, проходящему через эпицентр петли и перпендикулярному параллельным профилям. По структуре фазовых сдвигов на площади определяют наличие в Земле аномальных проводящих объектов.
Основное достоинство этого способа заключается в том, что на исследуемой площади точно определяют структуру фазовых сдвигов декартовых составляющих магнитной индукции относительно условного нуля. За условный нуль принимается фаза вертикальной составляющей в эпицентре петли.
Однако этому способу присущи также существенные недостатки: 1) низкая точность определения абсолютных фазовых сдвигов декартовых составляющих магнитной индукции относительно фазы тока в незаземленной петле; 2) низкая точность определения кажущегося сопротивления горных пород из-за наличия неизвестного начального уровня; 3) необходимость пролета по дополнительному профилю, проходящему через эпицентр петли и перпендикулярному параллельным профилям.
Цель предлагаемого технического решения - повышение точности измерений и производительности при площадных исследованиях.
Поставленная цель достигается тем, что в способе геоэлектроразведки, заключающемся в возбуждении низкочастотного электромагнитного поля током, протекающим в незаземленной петле на дневной поверхности Земли, и определении на заданной высоте по параллельным профилям фазовых сдвигов ϕи(l) декартовых составляющих магнитной индукции относительно тока в незаземленной петле, в нем на каждом профиле измеряют фазовые сдвиги, определяемые выражением
ϕи(l)=ϕρ(l)+ϕ0,
определяют удельное сопротивление ρ0, для которого функционал
а фазовый угол ϕρ(l) находят из выражения
ϕρ(l)=ϕи(l)-ϕи(l0)+ϕρ0(l0),
по структуре фазовых сдвигов ϕρ(l) на площади определяют наличие в Земле аномальных проводящих объектов, где:
l - текущая координата на профиле;
ϕи(l) - измеряемый фазовый сдвиг на профиле;
ϕ0 - постоянный, но неизвестный фазовый сдвиг на профиле;
ϕρ(l) - фазовый сдвиг, обусловленный электропроводностью горных пород на профиле;
ϕи(l0) - измеренный фазовый сдвиг на профиле в точке с координатами l0;
ϕТ(l) - теоретический фазовый сдвиг на профиле для однородного полупространства;
l1, l2 - координаты начала и конца профиля измерений;
l0=(l1+l2)/2;
ϕρ0(l0) - теоретический фазовый сдвиг в точке l0 на профиле, для которого функционал М минимален.
На фиг.1 изображена структурная схема устройства, с помощью которого реализуется предлагаемый способ, на фиг.2 дан план полетов летательного аппарата, на котором незаземленная петля изображена квадратом со стороной а. На фиг.3-8 представлены результаты математического моделирования.
Устройство (фиг.1) содержит бортовой пульт 1, включающий блок опорного сигнала 2, трехканальный фазометр 3, блок накопления и обработки информации 4, устройство навигации 5, блок датчиков 6, генераторное устройство 7, незаземленную петлю 8.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. На поверхности Земли раскладывают незаземленную петлю 8 (фиг.1) квадратной формы со стороной а. В этой петле пропускают ток прямоугольной формы без постоянной составляющей с частотой ω. В качестве источника используется генераторное устройство 7. В петле 8 протекает ток J=Jm·sign[cos(ωt)], где Jm - амплитуда прямоугольного тока, sign[cos(ωt)] - знаковая функция аргумента cos(ωt).
Ток, протекающий в петле, возбуждает электромагнитное поле, параметры (амплитуда и фаза декартовых составляющих магнитной индукции) которого на дневной поверхности и в воздухе зависят от электропроводности горных пород. Измерения в воздухе на высоте h осуществляют по параллельным профилям со скоростью V (фиг.1).
Измеряемые составляющие первой гармоники магнитного поля Вх, By, Bz описываются выражениями:
Bx=Bxmcos[ωt+ϕx p (x;y)],
By=Bymcos[ωt+ϕy p (x;y)],
Bz=Bzmcos[ωt+ϕZ p (x;y)],
где Bxm, Bym, Bzm - соответственно амплитуды составляющих Bx, By, Bz; ϕx p(x;y), ϕy p(x;y), ϕz p(x;y) - соответственно фазовые сдвиги измеряемых составляющих Bx, By, Bz относительно тока первой гармоники в незаземленной петле 8 (фиг.1). Выходные напряжения с датчиков х, y, z блока датчиков 6 (фиг.1), пропорциональные Bx, By и Bz, поступают на трехканальный фазометр 3, в котором определяют фазовый сдвиг между напряжениями датчиков и опорным напряжением Uon=Um·cos(ωt+ϕi), вырабатываемым формирователем опорного сигнала 2, где ϕi - неизвестный, но постоянный во времени в пределах профиля i, фазовый угол между током в петле и опорным напряжением, i=0, 1, 2, 3,..., n, где n - количество профилей. Поскольку время пролета профиля невелико, то уход фазы опорного напряжения блока 2 относительно тока в петле за это время очень мал и им можно пренебречь. Однако уход фазы постепенно накапливается при переходе от профиля к профилю, а также изменяется во время возможных перерывов в работе на неизвестную величину. Поэтому начальный сдвиг фазы между опорным напряжением блока 2 и током в петле 8 может изменяться от профиля к профилю на неизвестную постоянную величину и в выражении для Uon задается равным ϕi для каждого профиля, где i - номер профиля.
Измерения начинают с нулевого профиля далее по параллельным профилям (ПР0, 1, 2,...,n, фиг.2). Нулевой профиль проходит через эпицентр петли со стороной а (фиг.2). В результате в трехканальном фазометре фазовые сдвиги относительно опорного напряжения Uon преобразуются в цифровые коды
Nx0=kϕx,0=kϕ0+kϕx p(x;y)
Ny0=kϕy,0=kϕ0+kϕy p(x;y)
Nz0=kϕz,0=kϕ0+kϕz p(x;y)
где k - коэффициент преобразования фазометра, который обычно равен 1 или кратен 10. Поэтому для простоты будем полагать k=1, тогда цифровые коды определяются следующими выражениями:
Nx0=ϕx,0=ϕ0+ϕx p(x;y)
Nz0=ϕz,0=ϕ0+ϕz p(x;y),
После измерения Nx0, Ny0, Nz0 проводят измерения фазовых сдвигов оставляющих магнитной индукции по параллельным профилям 1,..., i,...,n относительно опорного напряжения Uon, формируемого формирователем опорного напряжения 2 (фиг.1). Тогда цифровые коды фазовых сдвигов определяются следующими выражениями:
Nx;i=ϕi+ϕx p(x;y)
Nz;i=ϕi+ϕz p(x;y)
где i=1, 2, 3,..., n, ϕi - неизвестный фазовый сдвиг между опорным сигналом и током в петле для профиля i, постоянный в пределах этого профиля.
Цифровая информация об измеренных фазовых сдвигах составляющих магнитной индукции относительно опорного напряжения Uon поступает в блок накопления и обработки информации 4. Синхронно с поступлением информации с трехканального фазометра 3 на вход блока 4 поступают данные о координатах положения летательного аппарата в пространстве. В блоке 4 для каждого профиля (индекс i опускается) определяют удельное сопротивление однородного проводящего полупространства, для которого функционал
где обозначения те же.
Изменяя удельное сопротивление горных пород, определяют функционал М. Минимизацию функционала М осуществляют до тех пор, пока средняя квадратическая погрешность не становится меньше допустимой. После минимизации функционала М определяют для каждой пространственной составляющей (Bx, By, Bz) фазовые сдвиги ϕρ(l), обусловленные электропроводностью горных пород, для одного профиля из выражения
ϕρ(l)=ϕи(l)-ϕи(l0)+ϕρ0(l0).
Такие же операции производят на всех остальных профилях изучаемой площади и по структуре фазовых сдвигов ϕx p(х;у), ϕy p(х;у), ϕz p(х;у) определяют наличие в Земле проводящих объектов. В качестве доказательства возможности практического применения предлагаемого способа рассматриваются результаты математического моделирования. Для этой цели представлены на фиг.3 и 4 изолинии теоретических фазовых углов ϕz p(х;у) вертикальной составляющей Вz p(х;у), рассчитанных для однородного полупространства при удельном сопротивлении 800 Ом.м (фиг.3) и с включением в однородное полупространство при том же удельном сопротивлении аномального проводящего объекта (фиг.4). Для однородного полупространства изолинии фазового угла вертикальной составляющей магнитной индукции представляют собой концентрические окружности (фиг.3). При наличии в Земле аномального проводящего объекта (фиг.4) изолинии фазового угла вертикальной составляющей магнитной индукции отклоняются от концентрических окружностей в области проекции глубинного проводника на дневную поверхность. На фиг.5 и 6 даны планы изолиний суммарных фазовых сдвигов
ϕi(x;y)=ϕ0i+ϕz p(x;y),
где ϕz p(х;у) - фазовые сдвиги вертикальной составляющей магнитной индукции Bz p(x;y), изображенные на фиг.3 и 4, ϕ0i - постоянный фазовый сдвиг для i-го профиля, который изменялся генератором случайных чисел при переходе к (i+1)-му профилю. Диапазон изменения этого фазового угла был задан в интервале от - 0,75 до +0,75. Анализ формы изолиний, изображенных на фиг.5 и 6, наличие профильных аномалий, которые не отражают объективную картину геоэлектрического строения участка. На фиг.7 и 8 приведены планы изолиний фазовых сдвигов вертикальной составляющей магнитной индукции Вz p(х;у), восстановленных по предлагаемому способу.
Из сопоставительного анализа следует, что формы изолиний на фиг.7 и 8, с достаточной степенью точности, адекватно соответствуют не искаженным помехами формам изолиний на фиг.3 и 4. Что и доказывает возможность практического применения предлагаемого способа.
В предлагаемом способе не требуется передача опорного сигнала по радиоканалу, чем обеспечивается высокая автономность измерительного комплекса, расположенного на борту летательного аппарата (вертолета). В предлагаемом способе повышена точность определения абсолютных фазовых сдвигов декартовых составляющих магнитной индукции относительно фазы тока в незаземленной петле, а следовательно, повышена точность определения кажущегося сопротивления горных пород, также отпадает необходимость пролета по дополнительному профилю, проходящему через эпицентр петли и перпендикулярному параллельным профилям.
Анализ современного уровня техники показал, что предлагаемое техническое решение соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень" и может быть промышленно реализовано при использовании существующих технических средств. Предлагаемый способ позволяет осуществлять поиски крупных рудных месторождений в районах (заболоченных, покрытых лесом), где нет глубинных поисковых необсаженных скважин и невозможна посадка вертолета вблизи петли с током.
Таким образом, предлагаемый способ имеет существенные преимущества по сравнению с известными способами.
Источники, использованные при составлении заявки:
1. Астафьев П.Ф., Пыжьянов Ю.Б., Алфутов Б.А. Отчет о выполненных опытно-методических работ по разработке методики аэроразведочных работ при поисках медно-колчеданных руд в пределах Верхне-Уральского рудного района. - Свердловск, 1978, с.7-60, № госрегистрации 40-35 - 30/19а.
2. Патент RU №2076344 С1 (Россия). Способ геоэлектроразведки, G01V 3/30, 27.03.97.
3. Патент RU №2248016 С1 (Россия). Способ геоэлектроразведки, G01V 3/08, 10.03.2005 (прототип).
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ | 2003 |
|
RU2248016C1 |
СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ | 2002 |
|
RU2250479C2 |
СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ | 2008 |
|
RU2410730C2 |
СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ | 2010 |
|
RU2460097C2 |
Способ обработки сигналов вторичного магнитного поля при геоэлектроразведке и устройство для его осуществления | 1990 |
|
SU1744663A1 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАГНИТОТЕРАПИИ | 2002 |
|
RU2228208C2 |
СПОСОБ РАДИОВОЛНОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1998 |
|
RU2152060C1 |
Способ геоэлектроразведки | 1983 |
|
SU1125579A1 |
СПОСОБ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННОЙ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ (FTEM-3D) | 2010 |
|
RU2446417C2 |
СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ | 1972 |
|
SU345463A1 |
Изобретение относится к электроразведке на переменном токе, возбуждаемом в Земле индуктивным способом, и может быть использовано при поисках аномальных объектов в Земле, залегающих на глубинах до 500 м и более. Технический результат: повышение точности и производительности при площадных исследованиях. Сущность: пропускают низкочастотный ток в незаземленной петле. Измеряют на каждом профиле фазовые сдвиги ϕи(l)=ϕρ(l)+ϕ0, где ϕρ(l) и ϕ0 соответственно фазовый сдвиг, обусловленный электропроводностью горных пород, и постоянный, но неизвестный фазовый сдвиг. Определяют удельное сопротивление ρ0, для которого функционал где l, l1, l2 - соответственно координаты текущие, начала и конца профиля, l0=(l1+l2)/2; ϕи(l0), ϕT(l), ϕT(l0) - соответственно фазовый сдвиг, измеренный в точке l0, теоретический для однородного полупространства, теоретический в точке l0. Находят фазовые сдвиги ϕρ(l) декартовых составляющих магнитной индукции относительно тока в незаземленной петле из выражения ϕρ(l)=ϕи(l)-ϕи(l0)+ϕρ0(l0). По структуре фазовых сдвигов ϕρ(l) на площади определяют наличие в Земле аномальных проводящих объектов. 8 ил.
Способ геоэлектроразведки, заключающийся в возбуждении низкочастотного электромагнитного поля током, протекающим в незаземленной петле на дневной поверхности Земли и измерении на заданной высоте по параллельным профилям фазовых сдвигов ϕи(l)=ϕρ(l)+ϕ0 между декартовыми составляющими магнитной индукции и опорным напряжением, отличающийся тем, что в нем на каждом профиле определяют удельное сопротивление ρ0, для которого функционал
а фазовые сдвиги ϕρ(l) декартовых составляющих магнитной индукции относительно тока в незаземленной петле находят из выражения
ϕρ(l)=ϕи(l)-ϕи(l0)+ϕρ0(l0),
по структуре фазовых сдвигов ϕρ(l) на площади определяют наличие в Земле аномальных проводящих объектов, где
l - текущая координата на профиле;
ϕи(l) - измеряемый фазовый сдвиг на профиле;
ϕ0 - начальный и постоянный, но неизвестный по величине фазовый угол опорного напряжения на профиле;
ϕρ(l) - фазовый сдвиг, обусловленный электропроводностью горных пород на профиле;
ϕи(l0) - измеренный фазовый сдвиг на профиле в точке с координатами l0;
ϕT(l) - теоретический фазовый сдвиг на профиле для однородного полупространства;
l1, l2 - координаты начала и конца профиля измерений;
l0=(l1+l2)/2;
ϕρ0(l0) - теоретический фазовый сдвиг в точке l0 на профиле, для которого функционал М минимален.
RU 2003115332 A, 10.03.2005 | |||
Способ геоэлектроразведки | 1984 |
|
SU1233072A1 |
Способ определения оптимальной скорости резания | 1985 |
|
SU1294484A1 |
US 3555408 A, 12.01.1971. |
Авторы
Даты
2007-06-27—Публикация
2005-06-21—Подача